慣性定位儀和導向儀在深層非金屬管線探測中的應用分析

杜金橋

(福州市勘測院，福建 福州 350108)

1 引 言

地下管線是城市的生命線，隨著城市的發(fā)展，地下管線的數(shù)量也在急劇增加，地下表層空間的利用越來越密集，導致越來越多的管線都采用拉管、頂管等非開挖施工工藝進行深層埋設，且多采用非金屬管材。而傳統(tǒng)的管線探測方法如電磁法、地質(zhì)雷達法等僅針對金屬管材、淺層管線可以有效準確探測，而對于這類深層管線則沒有明顯探測效果。現(xiàn)階段對于深層管線的探測方法主要包括導向儀探測法、慣性定位儀法、鉆孔磁梯度法[1]、鉆孔觸探法[2]等。這些非常規(guī)探測方法有各自的優(yōu)缺點，但在探測效率及精確定位方面特別是非金屬管線探測，導向儀探測法及慣性定位儀的應用要較另外兩種方法更加廣泛。那么這兩種探測方法有什么區(qū)別，在日常生產(chǎn)中我們該如何選擇它們來保證精度的同時提高工作效率？

2 工作原理

2.1 導向儀探測法工作原理

導向儀(定向鉆進定位系統(tǒng))探測法屬于有源電磁法[3]，基本原理是利用傳感器螺線管天線發(fā)射的電磁場的分布特征[4]。進行管線測量時，將能夠發(fā)射固定頻率電磁場的導向儀探棒利用穿管器等工具穿入需要探測的管道內(nèi)，通過地面接收機對該探棒的位置進行定位，從而確定目標管線的平面位置及埋深(圖1)。

圖1 導向儀探測管線原理示意圖

2.2 慣性定位儀測量法工作原理

慣性定位儀是以陀螺儀作為技術核心，用來感測與維持方向，基于角動量守恒定律的理論設計出來的[5，6]，通過儀器內(nèi)部的慣性定位系統(tǒng)(圖2)對儀器的行走路徑進行模擬定位，結合管口的精確坐標，反算出整個管在空間的三維坐標。

圖2 儀器內(nèi)部的慣性定位系統(tǒng)[7]

慣性定位儀進行測量時(圖3)需要在管內(nèi)從一端前進至另一端，前進過程中方位測量器的傳感器被動地測量數(shù)據(jù)，對每個采樣點，軟件計算X方向(距離Distance)，Y方向(水平角Heading)，Z方向(俯仰角Pitch)和側滾位置Roll的變化[8，9]。每個樣本點成為一個向量，依次相連，構成行進路徑，重建路徑和已知出入口點坐標相結合便可獲得目標管線的三維坐標信息。

圖3 慣性定位儀測量過程[5]

就工作原理而言，兩種測量方法在數(shù)據(jù)采集過程中具有以下特點：

(1)導向儀采用電磁法原理受周邊環(huán)境的干擾大，可能造成數(shù)據(jù)無法連貫；慣性定位儀采用全自主的測量模式受周邊電磁環(huán)境影響較小，可以保證整條管道的連續(xù)測量。

(2)導向儀人為參與的項目較多，而慣性定位儀在整個測量過程中均為機器自主采集數(shù)據(jù)；因此在誤差控制方面導向儀測量法比慣性定位儀測量法較差，需要有豐富的導向儀探測經(jīng)驗的技術人員才能減少人為因素這方面的誤差。

(3)導向儀測量受地形影響較大，需要保證管道上方探測人員能安全自由通過，才能對管道進行測量；慣性定位儀采用管內(nèi)機器自主測量，只要管道到達的地方，都能進行測量。

綜上所述：在抗干擾、數(shù)據(jù)誤差控制、數(shù)據(jù)連貫性方面，慣性定位儀測量法占有絕對優(yōu)勢。

3 探測條件

3.1 導向儀探測條件

(1)非金屬管線：導向儀采用電磁法原理進行測量，電磁場的形成及傳播受周邊的環(huán)境影響較大特別是金屬物體；金屬管道及內(nèi)部還有金屬骨架的砼結構管道會對探棒產(chǎn)生的電磁場產(chǎn)生屏蔽作用從而無法對其進行定位定深；因此導向儀僅能用于非金屬管線的探測。

(2)待測量管道必須有一端開口，且測量管道內(nèi)部要保證有探棒進入的空間。

(3)地形等環(huán)境因素：導向儀探測需要地面接收信號，因此地形因素可能影響探測的完整性，如跨越河流、建筑物、快速車道等影響探測人員通行的地形；并且地面上的橋梁、房屋、車輛等都會對導向儀的信號產(chǎn)生屏蔽和干擾，影響探測結果。

3.2 慣性定位儀測量條件

(1)管道材質(zhì)無要求：慣性定位儀采用陀螺儀原理，其測量僅與測量儀器的運行速度和方向有關，且全程自主記錄數(shù)據(jù)無須對外發(fā)射信號，因此對于管線的材質(zhì)沒有要求。

(2)慣性定位儀的整個測量過程都是在測量管道內(nèi)部進行，測量時儀器的測距輪需要全時緊貼管壁，且需要測量管道兩端利用牽引繩帶動其運行；因此整個測量管道需要兩端開口、管徑一致、管道內(nèi)要保持干凈無異物阻擋儀器前進。

(3)慣性定位儀是通過管道內(nèi)部進行測量，因此對地形沒有特殊要求。

從測量條件來看，導向儀測量對管線材質(zhì)的要求比較苛刻，但對于非金屬管線探測，導向儀測量比慣性定位儀測量的要求較少；實際工作中對于已經(jīng)啟用的管道采用導向儀測量比慣性定位儀測量更加方便。

4 探測精度

導向儀主要通過對實際的探棒位置進行定位來確定目標管線的平面位置及埋深，在沒有干擾的情況下，導向儀的測量數(shù)據(jù)永遠都會是一個固定值，因此在數(shù)據(jù)有效的情況下它每次測量的數(shù)據(jù)都是有效數(shù)據(jù)，其精度主要受環(huán)境及人為誤差影響；慣性定位儀主要通過自主構建的路徑相對于出入口的坐標點及高程來確定目標管線的平面位置及高程，在測量過程中受儀器前進方向和加速度的影響每次測量的路徑都會有很大的差異，我們需要多次采集測量數(shù)據(jù)并保證每條數(shù)據(jù)的有效性(滿足儀器測量標定限差)，通過多條數(shù)據(jù)的平均來滿足管線探測的精度要求，其精度主要受儀器精密程度和出入口坐標采集精度影響。

我們通過兩步來對這兩種方法進行對比，第一步對試驗場的管道進行測量，來確定兩種方法的精度及有效性；第二步在實際工程中對未知管道進行測量，對比兩種方法的精度。

4.1 試驗場管道測量對比

該試驗場管道位于福州市勘測院地面停車場，無地下室，周邊無其他環(huán)境因素干擾；管道采用DN200 PE材質(zhì)管道，長約 30 m，按照起伏管模式埋設(圖4)，覆土前對該管道進行實測采集數(shù)據(jù)保存。采用導向儀及慣性定位儀分別對該管線進行測量，并將兩次測量的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行對比(圖5、圖6)。

圖4 試驗場地管道埋設縱斷面圖

圖5 兩種測量方式與實際管道平面位置對比

圖6 兩種測量方式與實際管道縱斷面位置對比

采用兩種測量方法獲得的數(shù)據(jù)在平面位置(圖5)及埋深、高程測量(圖6)方面較實際管道都沒有較大的偏差，都有較高的精度。根據(jù)規(guī)范要求規(guī)定管線隱藏點的探測限差指標[10]為：平面0.1h，埋深0.15h(h為地下管線的中心埋深，單位為(mm)，當h<1 000 mm時，以h=1 000 mm代入計算)。將測量數(shù)據(jù)進行對比，取它們中間的特征數(shù)據(jù)(平面位置相差較大或者平面位置重合時埋深較大)如表1、表2所示：

導向儀測量數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比 表1

慣性定位儀測量數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)對比 表2

將這些特征點作為檢查點，根據(jù)地下管線規(guī)范[8]可知：隱藏管線點的平面限差δts和埋深限差δth分別按式(1)、式(2)計算；隱藏管線點的平面中誤差Mts和埋深中誤差Mth按式(3)、式(4)計算：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：hi—各檢查點管線中心埋深(mm)，當hi<1 000 mm時，取hi=1 000 mm；n—檢查點數(shù)；△sti—管線點的平面偏差(mm)；△hti—管線點的埋深偏差(mm)。

通過表1，對導向儀的數(shù)據(jù)進行計算得到管線水平限差δts=345 mm，埋深限差δth=518 mm，平面中誤差Mts=48 mm，埋深中誤差Mth=79 mm。

通過表2，對慣性定位儀的數(shù)據(jù)進行計算得到管線水平限差δts=297 mm，埋深限差δth=445 mm，平面中誤差Mts=27 mm，埋深中誤差Mth=35 mm。

4.2 未知管道中兩種方法測量對比

本次選擇的目標管道為一條暫未啟用的非開挖電力管道，具有典型的非金屬深埋設的特點。該管線橫穿馬路及綠化帶，周邊具有一定的電磁干擾，屬于一般的地下管線探測環(huán)境。本次利用兩種方法分別對同一空管進行測量，其測量平面圖如圖7所示，縱斷面圖如圖8所示：

圖7 同一管道兩種測量方式的平面對比

圖8 同一管道兩種測量方式的縱斷面對比

結果對比表明：兩種方法測量的數(shù)據(jù)，除了導向儀測量過程中受電磁干擾的部分，其余部分在平面位置及管線高程都相差不大，表明兩種方法在正常工作環(huán)境下都能對深層非金屬管線進行有效測量。但導向儀測量數(shù)據(jù)受周邊環(huán)境的干擾因素較大，測量穩(wěn)定性沒有慣性定位儀測量方法好。

5 深層非金屬管線測量中兩種方法的選擇與配合

通過各方面的對比分析，兩種測量方法都能滿足深層非金屬管線的測量，就精度而言，慣性定位儀的精度稍高于導向儀，而且能保證數(shù)據(jù)的完整性；但慣性定位儀的測量條件要求要稍高于導向儀。導向儀的優(yōu)勢在于操作簡單，現(xiàn)場可以快速地定位出管線投影到地面的位置及埋深。因此在日常生產(chǎn)應用中我們可以根據(jù)實際情況來選擇具體的測量方法。

新敷設的管道盡量采用慣性定位儀測量，保證數(shù)據(jù)的完整性及連續(xù)性。對于已敷設啟用的管道我們可以根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境和業(yè)主要求選擇測量方法，如已經(jīng)通氣的燃氣，現(xiàn)場只能對一端進行破口，測量時間有限的情況下選擇導向儀進行測量是完全能夠滿足測量要求的。

根據(jù)現(xiàn)場條件結合業(yè)主的要求選擇正確的測量方法，既能保證測量精度，又能提高工作效率。兩種方法在日常測量工程中是相輔相成的，在某些特定管道的測量中兩者相互配合，能夠更加完美地解決問題，提高工作效率和精度(主要體現(xiàn)在電力等孔數(shù)較多的非開挖管線的測量上面)。

例如在進行多孔數(shù)非開挖管線測量時，可以先利用導向儀對管線的路徑進行區(qū)分，再利用慣性定位儀對每道路徑上的一到兩個孔位進行準確測量來得到該路徑的具體數(shù)據(jù)，避免對該路徑的所有管道進行慣性定位測量，從而提高測量效率。

路徑區(qū)分時應注意：①導向儀定位點應距離管道起終點有一定的距離且周邊環(huán)境干擾要小；②不同管道的導向儀定位點應分散在各自周邊，便于路徑區(qū)分。

根據(jù)慣性定位儀的測量原理，待測管道的管口坐標的采集精度對整個測量數(shù)據(jù)的準確性有很大的影響。但在已經(jīng)啟用的管道工井中，測量儀器很難直接對管口的三維坐標進行采集，因此只能將管口位置投影到地面上，通過投影點的坐標來推算出管口的坐標，此時可以利用導向儀進行輔助投影定位來提高管口坐標采集準確性。這種輔助投影的方法筆者在實際工程中主要采用兩種方式：管口定位法、內(nèi)頂投影定位法。

(1)管口定位法

將探棒直接放入測量孔內(nèi)，保證探棒處于水平狀態(tài)，量取探棒到測量孔管頂?shù)木嚯x，做好記錄；通過對探棒的定位定深來確定管口的位置。

該定位法主要用于沿管道方向地表無障礙物，且井室或者鐵質(zhì)井蓋無法干擾導向儀信號時采用。

(2)內(nèi)頂投影定位法

利用鉛錘和水平尺等將管口位置投影到工井內(nèi)頂上方，并做好標記，記錄管口到內(nèi)頂投影位置埋深；將校準好的導向儀探棒中心緊貼該投影點(圖9)，在工井上方對探棒的位置進行定位定深，通過探棒的位置、埋深及管口到內(nèi)頂投影點的埋深確定管口在地面的投影位置及到投影位置的埋深，計算得到較為精確的管口位置。

圖9 內(nèi)頂投影定位法操作示意圖

該方法主要用于第一種方法無法對管口進行定位時采用，如順著管道走向定位時井蓋對導向儀信號的干擾；測量孔傾斜度太大，探棒在管內(nèi)無法保證水平狀態(tài)；測量孔位置在水面下較深的地方，探棒無法調(diào)試成水平狀態(tài)等。

對于測量條件好的情況下，采用兩種方法定點比對，更能提高投影精度。

利用導向儀進行管口投影需注意以下幾點：

①導向儀測量前要校準檢查；

②探棒放置時需保證水平狀態(tài)，防止定位偏差；

③投影點探測時，探棒信號發(fā)射部分的中心位置應與內(nèi)頂投影點或者管口待測點位置保持一致。

6 工程案例分析

6.1 已啟用管道的測量方法選擇

某PE材質(zhì)市政中壓天然氣管道跨河段采用非開挖工藝敷設，屬于典型的非金屬深埋管線。因河道清淤截污工程，需對該管道進行精確定位，避免在施工過程中造成破壞。由于該管道已經(jīng)啟用，需燃氣公司配合破管測量。對河道兩端的燃氣管道破管過程中發(fā)現(xiàn)管線的一端開口需要很長時間可能影響到周邊居民的供氣情況，結合對周邊環(huán)境的考察及河道水已經(jīng)排空的情況，決定在破一個口的情況下利用導向儀對該管道進行快速定位。導向儀定位完成后采集定位點的過程中，就可以對管道進行焊接啟用，減少斷氣時間，同時定位點也可以現(xiàn)場做好固定標識，給施工單位提供警示作用。本次測量成果如圖10、表3所示：

該測量結果連續(xù)性好，短距離跨度定位定深，測量數(shù)據(jù)已經(jīng)能夠很好地滿足施工需求。在外部干擾小的情況下，導向儀的測量精度是可以滿足工程需求的，相對于慣性定位儀測量要求的條件較少，測量準備及測量時間要快，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況具體選擇，保證精度的條件下提高效率，減少社會影響。

圖10 燃氣管道測量成果平面圖

燃氣管道測量成果表 表3

6.2 多孔數(shù)管道兩種方法配合測量

某施工地塊紅線范圍內(nèi)存在一路高低壓共用線路，該線路采用非開挖拖拉管的方式埋設，具有軌跡不確定性。為避免施工過程中對該線路造成破壞，需對該電力管道位置進行精確測量。

圖11 待測電力管道井內(nèi)斷面情況

該線路共有36孔(圖11)，其中24孔已穿電纜，屬于典型的已啟用多孔數(shù)多路徑非開挖深埋管線。解決該類管線的探測首先需要區(qū)分出各道路徑的孔數(shù)及斷面，再從每道路徑中選擇測量條件好的孔位進行慣性定位測量。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)該線路兩端檢查井并非拉管施工的出入點，因此檢查井內(nèi)的斷面排列非常整齊，無法通過聚集性區(qū)分出路徑走向；但通過井內(nèi)量測對比發(fā)現(xiàn)該線路存在兩種管徑各占18孔，可以初步區(qū)分出兩道路徑，因其中一道已經(jīng)全部啟用，只有通過導向儀結合管線探測儀的方法來具體區(qū)分該線路走向。利用導向儀對所用空管進行探測對比，對于有電纜的孔位利用管線探測儀采用夾鉗法的方式在干擾源小的地方對每條電纜進行定位對比。具體區(qū)分出路徑走向后，對于有空管的那道路徑選擇儀器操作方便且管口變形較小、距離較遠的兩個空管利用慣性定位儀進行測量；對于另外一道所有管都已經(jīng)起用的路徑，無法利用慣性定位儀進行測量，但有兩個管內(nèi)敷設的是電力通信線路，線纜較細未占用整個管道，可以利用導向儀采用檢查井兩端推送探棒進行探測。測量成果平面圖如圖12所示。

該工程屬于兩種探測方法的結合應用，慣性定位儀測量提供精確的測量數(shù)據(jù)，導向儀測量輔助提高測量效率，同時也可以對測量條件苛刻的管道進行準確測量。對于斷面尺寸較大的多孔數(shù)拉管或者大部分孔位已經(jīng)啟用的非開挖管線可以利用兩種方法結合來提高效率和精度。

圖12 電力管線走向平面圖

7 結 語

(1)在測量條件好的情況下，導向儀測量法和慣性定位儀測量法對于深層非金屬管線的測量都具有較高的精度；但從測量原理來看，導向儀容易受周邊環(huán)境干擾，且測量工程中人為參與較多，造成的誤差會比慣性定位儀測量法大，因此慣性定位儀的測量精度比導向儀精度要高。

(2)由于導向儀采用電磁法原理，對于超深層管線的探測效果還是不如慣性定位儀測量法，且對管線的材質(zhì)要求較嚴格。慣性定位儀對材質(zhì)和深度沒有要求，只要滿足測量條件就可以進行測量。

(3)慣性定位儀測量法不受地形限制，但測量條件要求相對于導向儀要求的條件多，因此對于已經(jīng)起用的管線，我們可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況和業(yè)主要求選擇測量方法，在測量條件允許的情況下盡可能采用慣性定位儀測量法。

(4)在實際測量中導向儀和慣性定位儀相互配合使用，可以提高整個測量工程中的效率和精度。

(5)兩種方法能有效地解決深層管線探測難題，但還存在很大的局限性，如探測條件要求較多等。只有通過各方努力來解決，主動聯(lián)系各管線業(yè)主單位，在管線新敷設階段測量條件最好的情況下進行測量留檔，保證數(shù)據(jù)的完整性、有效性。